(57)【要約】【課題】  潤滑油に含まれる添加剤の吸着、反応に依存することなく、低摩擦係数を実現できる低摩擦摺動部材を提供する。【解決手段】  潤滑油を用いた湿式条件で使用され、基材と、該基材の表面に形成され相手材と摺接する非晶質硬質炭素膜と、を備えた低摩擦摺動部材において、非晶質硬質炭素膜のＳｉ含有量を１ａｔ％以上２０ａｔ％以下とし、Ｈ含有量を２０ａｔ％以上５０ａｔ％以下とし、表面粗さをＲzjis０．８μｍ以下とする。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
潤滑油を用いた湿式条件で使用され、
基材と、該基材の表面に形成され相手材と摺接する非晶質硬質炭素膜と、を備える低摩擦摺動部材であって、
前記非晶質硬質炭素膜のＳｉ含有量は１ａｔ％以上２０ａｔ％以下であり、Ｈ含有量は２０ａｔ％以上５０ａｔ％以下であり、表面粗さはＲzjis０．８μｍ以下であることを特徴とする低摩擦摺動部材。
【請求項２】
前記非晶質硬質炭素膜のＳｉ含有量は５ａｔ％以上２０ａｔ％以下である請求項１に記載の低摩擦摺動部材。
【請求項３】
前記潤滑油はエンジン油である請求項１に記載の低摩擦摺動部材。
【請求項４】
前記潤滑油は駆動系油であり、
前記非晶質硬質炭素膜の表面粗さはＲzjis０．３μｍ以下である請求項１に記載の低摩擦摺動部材。
【請求項５】
前記非晶質硬質炭素膜の硬さは、１５ＧＰａ以上である請求項１に記載の低摩擦摺動部材。
【請求項６】
前記基材と前記非晶質硬質炭素膜との密着力は２０Ｎ以上である請求項１に記載の低摩擦摺動部材。
【請求項７】
前記相手材は、金属、樹脂、セラミックスのいずれかである請求項１に記載の低摩擦摺動部材。
【請求項８】
前記相手材は非晶質硬質炭素膜であり、該非晶質硬質炭素膜のＳｉ含有量は１ａｔ％以上２０ａｔ％以下であり、Ｈ含有量は２０ａｔ％以上５０ａｔ％以下であり、表面粗さはＲzjis０．８μｍ以下である請求項１に記載の低摩擦摺動部材。
【請求項９】
前記潤滑油のリン、亜鉛、カルシウム、マグネシウム、ナトリウム、バリウム、銅、塩素の合計含有量は５００ｐｐｍを超え、水分量は１０ｐｐｍ以上５％以下である請求項１に記載の低摩擦摺動部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、潤滑油を用いた湿式条件下で使用され、摩擦係数が小さく、耐摩耗性に優れた低摩擦摺動部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、エンジンを構成するピストンや動弁系部品等の摺動部材では、資源保護や環境問題等の観点から、摩擦によるエネルギー損失をできるだけ低減することが要求される。このため、従来から、摺動部材の摩擦係数の低減や、耐摩耗性の向上等を図るべく、その摺動面に種々の表面処理が施されてきた。なかでも、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜と呼ばれる非晶質硬質炭素膜は、摺動面の摺動性を高める被膜として広く利用されている（例えば、特許文献１、２参照。）。
【特許文献１】特開平３−２４０９５７号公報
【特許文献２】特開２００１−１９２８６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
例えば、上記特許文献１には、珪素（Ｓｉ）を含む非晶質硬質炭素膜が開示されている。この非晶質硬質炭素膜は、潤滑油を用いない乾式条件では、低い摩擦係数を示す。しかし、潤滑油を用いた湿式条件では、摩擦係数を低減することは難しい。この要因として、潤滑油に含まれる各種添加剤の影響が考えられる。潤滑油中の添加剤は、非晶質硬質炭素膜の表面に吸着、反応して境界膜を形成する。よって、摩擦係数は、摺動時に形成される境界膜により決定されると考えられる。特に、動力伝達のための高摩擦を想定した駆動系油を潤滑油として用いた場合には、摩擦係数を低減し難い。
【０００４】
一方、上記特許文献２には、芳香族化合物を含有した潤滑油を用いる試みが開示されている。芳香族化合物は、非晶質硬質炭素膜への吸着力が高いため、非晶質硬質炭素膜の表面に強固な境界膜を形成する。つまり、非晶質硬質炭素膜の表面に強固な境界膜を形成させることで、固体接触割合を減らし、摩擦係数の低減を図っている。しかし、この方法では、添加剤が変更された場合、芳香族化合物以外の物質の吸着、反応で、摩擦係数の低減が阻害されてしまうおそれがある。また、環境問題等の観点から、今後、添加剤の種類の見直しや量の適正化が進むことも考えられる。この場合、添加剤の吸着、反応に依存した上記方法では、摩擦係数を低減することが困難になると予想される。
【０００５】
本発明は、このような実状に鑑みてなされたものであり、潤滑油に含まれる添加剤の吸着、反応に依存することなく、低摩擦係数を実現できる低摩擦摺動部材を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の低摩擦摺動部材は、潤滑油を用いた湿式条件で使用され、基材と、該基材の表面に形成され相手材と摺接する非晶質硬質炭素膜と、を備える低摩擦摺動部材であって、前記非晶質硬質炭素膜のＳｉ含有量は１ａｔ％以上２０ａｔ％以下であり、Ｈ含有量は２０ａｔ％以上５０ａｔ％以下であり、表面粗さはＲzjis０．８μｍ以下であることを特徴とする。
【０００７】
本発明の低摩擦摺動部材では、相手材と摺接する非晶質硬質炭素膜の表面粗さを、Ｒzjis０．８μｍ以下と小さくした。このため、固体−固体接触による境界摩擦の割合が低減し、潤滑油による潤滑割合が増加する。よって、摩擦係数を低減することができる。また、本発明の低摩擦摺動部材における非晶質硬質炭素膜は、鋼材と比較して硬く、摩耗し難い。このため、相手材と摺接しても、初期の表面粗さを維持することができる。さらに、非晶質硬質炭素膜は所定量のＳｉを含む。本発明者の分析によれば、Ｓｉを含むことにより、摺接時に非晶質硬質炭素膜の表面にシラノール（ＳｉＯＨ）が生成される。このシラノールの生成が、境界摩擦の低減に寄与していると考えられる。このように、本発明の低摩擦摺動部材は、潤滑油による潤滑割合の増加および境界摩擦の低減の両作用により、低摩擦係数を示す。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の低摩擦摺動部材の摺動面を構成する非晶質硬質炭素膜のＳｉ含有量は１ａｔ％以上２０ａｔ％以下であり、Ｈ含有量は２０ａｔ％以上５０ａｔ％以下であり、表面粗さはＲzjis０．８μｍ以下である。相手材と摺接する非晶質硬質炭素膜の表面粗さが小さいため、潤滑油による潤滑割合が増加し、摩擦係数が低減する。また、非晶質硬質炭素膜は、Ｓｉを含むため、境界摩擦も低減する。よって、本発明の低摩擦摺動部材によれば、潤滑油中の添加剤の吸着、反応によらずに、低摩擦係数を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の低摩擦摺動部材について詳細に説明する。上述したように、本発明の低摩擦摺動部材は、潤滑油を用いた湿式条件で使用され、基材と、該基材の表面に形成され相手材と摺接する非晶質硬質炭素膜と、を備える低摩擦摺動部材であって、前記非晶質硬質炭素膜のＳｉ含有量は１ａｔ％以上２０ａｔ％以下であり、Ｈ含有量は２０ａｔ％以上５０ａｔ％以下であり、表面粗さはＲzjis０．８μｍ以下である。
【００１０】
基材の材質は、摺動部材として使用できれば特に限定されるものではない。金属、セラミックス、樹脂等から選ばれる材料を用いればよい。例えば、炭素鋼、合金鋼、鋳鉄、アルミニウム合金、チタン合金等の金属製基材、超鋼、アルミナ、窒化珪素等のセラミックス製基材、ポリイミド、ポリアミド等の樹脂製基材等が挙げられる。
【００１１】
基材の表面粗さは、Ｒzjis０．８μｍ以下とすることが望ましい。Ｒzjis０．５μｍ以下とするとより好適である。
【００１２】
非晶質硬質炭素膜は、炭素（Ｃ）、水素（Ｈ）、Ｓｉを含む。Ｈ含有量は、２０ａｔ％以上５０ａｔ％以下である。Ｈ含有量が２０ａｔ％未満の場合には、非晶質硬質炭素膜の硬さは大きくなるが、密着力や靱性が低下する。Ｈ含有量を２５ａｔ％以上とすると好適である。反対に、Ｈ含有量が５０ａｔ％を超えると、非晶質硬質炭素膜の硬さが小さくなり、耐摩耗性が低下する。Ｈ含有量を３５ａｔ％以下とすると好適である。
【００１３】
また、Ｓｉ含有量は、１ａｔ％以上２０ａｔ％以下である。Ｓｉ含有量が１ａｔ％未満の場合には、境界摩擦の低減効果が小さい。境界摩擦をより低減するためには、Ｓｉ含有量を５ａｔ％以上、さらには６ａｔ％以上とすることが望ましい。また、実用的な成膜速度を得るという観点では、Ｓｉ含有量を５ａｔ％より多くすることが望ましい。一方、Ｓｉ含有量が２０ａｔ％を超えると、非晶質硬質炭素膜の摩耗量が増加してしまう。耐摩耗性および耐焼付き性を考慮した場合には、Ｓｉ含有量を９．８ａｔ％以下とすることが望ましい。９．５ａｔ％以下とするとより好適である。
【００１４】
非晶質硬質炭素膜の表面粗さは、Ｒzjis０．８μｍ以下である。表面粗さがＲzjis０．８μｍを超えると、潤滑油による潤滑割合の増加は期待できず、摩擦係数を低減することができない。好ましくは、表面粗さをＲzjis０．５μｍ以下とする。また、後述するように、潤滑油には、駆動系油のように高摩擦を想定した種類もある。この種の油を用いた場合には、それ以外のエンジン油等を用いた場合に比べて、摩擦係数を低減し難い。よって、高摩擦を想定した潤滑油下で使用する場合には、非晶質硬質炭素膜の表面粗さをより小さくすることが望ましい。例えば、駆動系油を用いた場合には、表面粗さをＲzjis０．３μｍ以下とするとよい。表面粗さの算出方法は、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（１９９４）に規定された方法に従う。
【００１５】
非晶質硬質炭素膜の硬さは、特に限定されるものではない。例えば、耐摩耗性等を考慮した場合には、１５ＧＰａ以上であるとよい。本明細書では非晶質硬質炭素膜の硬さとして、ナノインデンター試験機（株式会社東陽テクニカ製 ＭＴＳ）による測定値を採用する。また、非晶質硬質炭素膜の膜厚は、０．１μｍ以上とすることが望ましい。０．５μｍ以上とするとより好適である。
【００１６】
摺動面圧が１００ＭＰａ以上と高い摺動環境では、非晶質硬質炭素膜は基材から剥離し易い。よって、非晶質硬質炭素膜の剥離を抑制するという観点から、非晶質硬質炭素膜と基材との密着力を１０Ｎ以上とすることが望ましい。また、摺動面圧が１０００ＭＰａ以上の摺動環境で使用する場合には、密着力を２０Ｎ以上とすることが望ましい。非晶質硬質炭素膜と基材との密着力は、通常のスクラッチ試験による膜の剥離荷重から求められる。本明細書では、頂角１２０度、先端半径０．２ｍｍのダイヤモンドコーンに荷重をかけて膜を引掻き、膜が剥離した時の荷重を密着力とした。
【００１７】
非晶質硬質炭素膜は、プラズマＣＶＤ法、イオンプレーティング法、スパッタリング法等、既に公知のＣＶＤ法、ＰＶＤ法により形成すればよい。例えば、プラズマＣＶＤ法により形成する場合には、真空容器内に基材を配置して、反応ガスおよびキャリアガスを導入する。そして、放電によりプラズマを生成させ、反応ガス中のプラズマイオン化されたＣ、ＣＨ、Ｓｉ等を基材に付着させ、非晶質硬質炭素膜を形成する。反応ガスには、メタン（ＣＨ4）、アセチレン（Ｃ2Ｈ2）等の炭化水素ガス、Ｓｉ（ＣＨ3）4［ＴＭＳ］、ＳｉＨ4、ＳｉＣｌ4、ＳｉＨ2Ｆ4等の珪素化合物ガス、および水素ガスを用い、キャリアガスにはアルゴンガスを用いればよい。
【００１８】
本発明の低摩擦摺動部材は、潤滑油を用いた湿式条件で使用される。潤滑油としては、例えば、ＡＴＦ（Automatic Transmission Fluid）、ＣＶＴＦ（Continuously Variable Transmission Fluid）、ギヤ油等の駆動系油、ガソリン、軽油等の燃料油、植物油、鉱物油、合成油等のいわゆるベース油、およびエンジン油が挙げられる。
【００１９】
なかでも、リン、亜鉛、カルシウム、マグネシウム、ナトリウム、バリウム、銅、塩素の合計含有量が５００ｐｐｍを超え、水分量が１０ｐｐｍ以上５％以下である潤滑油を用いると、摩擦係数の低減効果が大きい。この場合の低摩擦メカニズムは、以下のように考えられる。
【００２０】
図９に、摺動時における本発明の低摩擦摺動部材の要部断面を模式的に示す。図９に示すように、低摩擦摺動部材１は、基材１０と非晶質硬質炭素膜１１とを備える。非晶質硬質炭素膜１１は、基材１０の表面に形成される。相手材との摺動により、非晶質硬質炭素膜１１の表面には、シラノール層（Ｓｉ−ＯＨ層）１２が生成される。シラノール層１２の上には、さらに吸着水層１３が生成される。吸着水層１３は、潤滑油中に含まれる水分により生成される。吸着水層１３の存在により、摩擦係数がより低減される。
【００２１】
例えば、エンジン油の場合、水分が１％程度混入するとエマルション化し、添加剤の析出や潤滑性の低下が起きるため問題となる。また、通常は、潤滑油への水分の混入により、焼付きの発生や摩擦係数の上昇がみられる。しかし、本発明の低摩擦摺動部材では、所定量のＳｉを含む上記非晶質硬質炭素膜を備えるため、潤滑油中の水分は、生成したシラノール層の上に吸着水層を生成する。このように、本発明の低摩擦摺動部材によれば、潤滑油中に水分が混入しても問題はなく、むしろシラノールとの相乗効果により低摩擦を発現する。
【００２２】
リン、亜鉛、カルシウム、マグネシウム、ナトリウム、バリウム、銅、塩素の合計含有量が５００ｐｐｍを超える潤滑油の場合、水分量が１０ｐｐｍ未満であると摩擦係数の低減効果は少ない。一方、水分量が５％を超えると、エマルション化、添加剤の析出、潤滑性の低下が起きるため好ましくない。なお、上記リン等の合計含有量が５００ｐｐｍ以下の低添加剤潤滑油の場合には、水分量が１０ｐｐｍ未満であっても低摩擦を発現する。
【００２３】
非晶質硬質炭素膜が摺接する相手材は、炭素鋼、合金鋼、鋳鉄、アルミニウム合金、チタン合金等の金属、ポリイミド、ポリアミド等の樹脂、超鋼、アルミナ、窒化珪素等のセラミックスが好適である。また、相手材も、Ｓｉ含有量１ａｔ％以上２０ａｔ％以下、Ｈ含有量２０ａｔ％以上５０ａｔ％以下、表面粗さＲzjis０．８μｍ以下の非晶質硬質炭素膜である場合には、より摩擦係数が低減され好適である。
【００２４】
以上、本発明の低摩擦摺動部材の実施形態を説明したが、本発明の低摩擦摺動部材は、上記実施形態に限定されるものではない。本発明の低摩擦摺動部材は、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。
【実施例】
【００２５】
上記実施形態に基づいて、基材の表面に種々の非晶質硬質炭素膜を形成した。そして、潤滑油の異なる二種類の摺動試験を行って、各非晶質硬質炭素膜の摩擦特性を評価した。以下、摺動試験および摩擦特性の評価について説明する。
【００２６】
（１）エンジン油下での摺動試験
（ａ）Ｓｉ含有非晶質硬質炭素膜（以下、適宜「ＤＬＣ−Ｓｉ膜」と称す。）の形成
図１に示すプラズマＣＶＤ（ＰＣＶＤ）成膜装置を用いて、基材の表面にＤＬＣ−Ｓｉ膜を形成した。図１に示すように、プラズマＣＶＤ成膜装置３は、ステンレス製の容器３０と、基台３１と、ガス導入管３２と、ガス導出管３３とを備える。ガス導入管３２は、バルブ（図略）を介して各種ガスボンベ（図略）に接続される。ガス導出管３３は、バルブ（図略）を介してロータリーポンプ（図略）および拡散ポンプ（図略）に接続される。
【００２７】
まず、容器３０内に設置された基台３１の上に、基材４を配置した。基材４は、マルテンサイト系ステンレス鋼ＳＵＳ４４０Ｃ（焼入れ焼戻し品  ＨＲＣ５８）製のブロック試験片（６．３ｍｍ×１５．７ｍｍ×１０．１ｍｍ）とした。次に、容器３０を密閉し、ガス導出管３３に接続されたロータリーポンプおよび拡散ポンプにより、容器３０内のガスを排気した。容器３０内にガス導入管３２から水素ガスを１５ｓｃｃｍ導入し、ガス圧を約１３３Ｐａとした。その後、容器３０の内側に設けたステンレス製陽極板３４と基台３１との間に２００Ｖの直流電圧を印加して、放電を開始した。そして、基材４の温度が５００℃になるまで、イオン衝撃による昇温を行った。次に、ガス導入管３２から、窒素ガス５００ｓｃｃｍおよび水素ガス４０ｓｃｃｍを導入し、圧力約８００Ｐａ、電圧４００Ｖ（電流１．５Ａ）、温度５００℃でプラズマ窒化処理を１時間行った。基材４の断面組織を観察したところ、窒化深さは３０μｍであった。
【００２８】
プラズマ窒化処理後、ガス導入管３２から水素ガスとアルゴンガスとを３０ｓｃｃｍずつ導入し、圧力約５３３Ｐａ、電圧３００Ｖ（電流１．６Ａ）、温度５００℃でスパッタリングし、基材４の表面に微細な凹凸を形成した（凹凸形成処理）。凸部の幅は６０ｎｍ、高さは３０ｎｍであった。この凹凸形成処理は、ＤＬＣ−Ｓｉ膜と基材４との密着性を向上させるための前処理の一つである。次に、ガス導入管３２から反応ガスとしてＴＭＳガスおよびメタンガスを下記表１に示す流量で導入し、さらに水素ガスとアルゴンガスとを３０ｓｃｃｍずつ導入し、圧力約５３３Ｐａ、電圧３２０Ｖ（電流１．８Ａ）、温度５００℃で成膜した。膜厚が２．５〜３．０μｍとなるよう成膜時間を制御した。
【００２９】
このような方法で、ブロック試験片にＳｉ含有量の異なる３種類のＤＬＣ−Ｓｉ膜を形成した。これらのブロック試験片を、それぞれ実施例１〜３とした。なお、Ｓｉ含有量が最も少ない実施例１の組成については、表面粗さの異なる３種類のＤＬＣ−Ｓｉ膜を形成し、表面粗さの違いにより実施例１−１〜３と番号付けした。
【００３０】
また、比較のため、上記ブロック試験片に、Ｓｉを含有しないＤＬＣ膜（以下、単に「ＤＬＣ膜」と称す。）を、マグネトロンスパッタリング（ＳＰ）法により成膜した。このブロック試験片を比較例１とした。形成されたＤＬＣ膜は、表面粗さの異なる３種類である。これらを表面粗さの違いにより比較例１−１〜３と番号付けした。同様に、比較のため、上記ブロック試験片に、ホロカソード（ＨＣＤ）法によりＣｒＮ膜を成膜した。このブロック試験片を比較例２とした。形成されたＣｒＮ膜は、表面粗さの異なる３種類である。これらを表面粗さの違いにより比較例２−１〜３と番号付けした。
【００３１】
表１に、実施例１〜３および比較例１の各ブロック試験片に形成された被膜の成膜方法、成膜条件、組成、硬さを示す。また、表２に、実施例１〜３、および比較例１、２の各ブロック試験片に形成された被膜の厚さ、表面粗さ、密着力を示す。以下の摺動試験では、各ブロック試験片に形成された被膜が、相手材との摺動面となる。なお、表２中、表面粗さの異なるブロック試験片（ＳＵＳ４４０Ｃ）を比較例３−１、２として示す。
【００３２】
ＤＬＣ−Ｓｉ膜中のＳｉ含有量は、電子プローブ微小部分析法（ＥＰＭＡ）、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）、オージェ電子分光法（ＡＥＳ）、ラザフォード後方散乱法（ＲＢＳ）により定量した。また、被膜中のＨ含有量は、弾性反跳粒子検出法（ＥＲＤＡ）により定量した。ＥＲＤＡは、２ＭｅＶのヘリウムイオンビームを被膜表面に照射して、被膜からはじき出される水素を半導体検出器により検出し、被膜中の水素濃度を測定する方法である。
【００３３】
【表１】
2005336456.tif 000002
【００３４】
【表２】
2005336456.tif 000003
【００３５】
表１に示すように、Ｓｉ含有量に関わらず、被膜の硬さは１５ＧＰａ以上であった。また、表２に示すように、被膜の密着力はＳｉの有無で大きく異なった。凹凸形成処理により、ＤＬＣ−Ｓｉ膜の密着力は３５〜５５Ｎと高い値となったのに対し、ＤＬＣ膜の密着力は５〜９Ｎと低い値となった。
【００３６】
（ｂ）摺動試験および摩擦特性の評価
上記各ブロック試験片について、リング・オン・ブロック型摩擦試験機（ＬＦＷ−１、ＦＡＬＥＸ社製）による摺動試験を行った。図２に、リング・オン・ブロック型摩擦試験機の概略図を示す。図２に示すように、リング・オン・ブロック型摩擦試験機５は、ブロック試験片５０と、相手材となるリング試験片５１とから構成される。ブロック試験片５０とリング試験片５１とは、ブロック試験片５０に形成された被膜５００とリング試験片５１とが当接する状態で設置される。リング試験片５１はオイルバス５２中に回転可能に設置される。本摺動試験では、リング試験片５１として、本摩擦試験機の標準試験片であるＳ−１０リング試験片（材質：ＳＡＥ４６２０スチール浸炭処理材、形状：φ３５ｍｍ、幅８．８ｍｍ、表面粗さ：Ｒzjis０．５μｍ、Ｒzjis１．３μｍの２種類、ＦＡＬＥＸ社製）を用いた。また、オイルバス５２には、８０℃に加熱保持したガソリンエンジン油（キャッスルモーターオイルＳＬ５Ｗ−３０）を用いた。このガソリンエンジン油の水分量は１７４ｐｐｍであった。水分量は、カールフィッシャー電量滴定法により測定した（以下同じ）。
【００３７】
まず、無負荷の状態で、リング試験片５１を回転させた。次いで、ブロック試験片５０の上から３００Ｎの荷重（ヘルツ面圧３１０ＭＰａ）をかけ、ブロック試験片５０とリング試験片５１とを摺動速度０．３ｍ／ｓで３０分間摺動させた後、摩擦係数を測定した。ここで、ヘルツ面圧とは、ブロック試験片５０とリング試験片５１との接触部の弾性変形を考慮した実接触面の圧力の最大値である。図３に、実施例１、比較例１〜３のブロック試験片の摩擦係数の測定結果を示す。図３の横軸は、摺動前の各ブロック試験片の摺動面の表面粗さである。
【００３８】
図３に示すように、比較例１〜３のブロック試験片の摩擦係数は、摺動面の表面粗さによらず、いずれも高い値となった。一方、ＤＬＣ−Ｓｉ膜を摺動面とした実施例１のブロック試験片の摩擦係数は、表面粗さがＲzjis０．８５μｍでは高い値となったが、表面粗さが小さくなるにつれて低下し、表面粗さがＲzjis０．１５μｍでは０．０６以下となった。これより、表面粗さがＲzjis０．８μｍ以下のＤＬＣ−Ｓｉ膜では、摩擦係数が低減することがわかる。特に、表面粗さがＲzjis０．３μｍ以下のＤＬＣ−Ｓｉ膜は、摩擦係数の低減に効果的である。
【００３９】
図４に、実施例１−１、比較例１−１、比較例３−１のブロック試験片についての、摺動前後の摺動面の表面粗さを示す。摺動面の表面粗さは、非接触の表面形状測定機（Ｚｙｇｏ製「New View 5000」）により測定した。図４に示すように、ＤＬＣ−Ｓｉ膜（実施例１−１）の表面粗さは、摺動前後でほとんど変化しない。一方、ＤＬＣ膜（比較例１−１）の表面粗さは、摺動後にやや大きくなっている。また、無被膜のブロック試験片（比較例３−１）の表面粗さは、摺動後に非常に大きくなっている。この測定結果からわかるように、ＤＬＣ−Ｓｉ膜は硬く、摩耗し難い。したがって、ＤＬＣ−Ｓｉ膜の表面粗さが小さい場合には、摺動時においてもその表面粗さが維持されるため、潤滑油による潤滑割合が増加して摩擦係数が低減する。
【００４０】
また、境界摩擦の低減要因を調べるため、ＤＬＣ−Ｓｉ膜（実施例１−１〜３）、およびＤＬＣ膜（比較例１−１）について、摺動後の膜表面の吸着物を分析した。吸着物の分析は、ＴＯＦ−ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析）により行った。図５に、吸着物の分析結果を示す。図５（ａ）は、Ｃａ−Ｓｕｌｆｏｎａｔｅ由来成分（Ｃ8Ｈ7ＳＯ3-）の吸着量を示し、図５（ｂ）は、Ｚｎ−ＤＴＰ由来成分（ＰＳＯ2-）の吸着量を示す。両成分とも、エンジン油の代表的な添加剤成分である。
【００４１】
図５（ａ）、（ｂ）に示すように、ＤＬＣ−Ｓｉ膜では、表面粗さが小さいほど、吸着物量が少なくなることがわかる。特に、表面粗さが最小のＤＬＣ−Ｓｉ膜（実施例１−１）では、ＤＬＣ膜に比べて、上記いずれの成分についても吸着物量が大幅に少なかった。加えて、このＤＬＣ−Ｓｉ膜の摩擦係数は最も低くなった。このように、ＤＬＣ−Ｓｉ膜には、潤滑剤中の添加剤が吸着し難い。これより、ＤＬＣ−Ｓｉ膜では、潤滑剤中の添加剤の吸着、反応により摩擦係数が低減されているのではないといえる。本発明者が別途行った分析によると、摺動後のＤＬＣ−Ｓｉ膜の表面には、シラノールが生成していることがわかった。
【００４２】
シラノール分析は、誘導体化ＸＰＳ分析により行った。まず、反応試薬のトリデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロオクチル−ジメチルクロロシランが入った硫酸中に、摺動後のＤＬＣ−Ｓｉ膜（実施例１−２）、ＤＬＣ膜（比較例１−１）、ＳＵＳ４４０Ｃ（比較例３−１）を１時間浸漬した。次に、クロロホルムにより充分洗浄し、ＸＰＳ分析により誘導体化したＦ量を分析した。検出されたＦ量を目安として、シラノール量を推定することができる。図６に、誘導体化ＸＰＳ分析の結果を示す。
【００４３】
図６に示すように、ＤＬＣ−Ｓｉ膜ではＦが検出された。これより、ＤＬＣ−Ｓｉ膜にはシラノールが生成していることがわかる。一方、ＤＬＣ膜およびＳＵＳ４４０Ｃでは、Ｆは検出されなかった。これより、ＤＬＣ−Ｓｉ膜の表面には、潤滑剤中の添加剤が吸着、反応するが、生成したシラノールが境界摩擦の低減に寄与していると考えられる。境界摩擦の低減には、Ｆ量が１ａｔ％以上であることが望ましい。Ｆ量が３ａｔ％以上であるとより好適である。
【００４４】
また、図７に、被膜中のＳｉ含有量と摩擦係数との関係を示す。図７に示すように、ＤＬＣ−Ｓｉ膜が形成された実施例１−１、実施例２および実施例３のブロック試験片の摩擦係数は、鋼材（図中破線で示す）や比較例１のブロック試験片と比較して、いずれも低くなった。また、Ｓｉ含有量が少ない方が摩擦係数は小さくなる傾向が見られた。一方、各ＤＬＣ−Ｓｉ膜について、摺動後の摩耗深さを測定したところ、Ｓｉ含有量が６ｗｔ％である実施例１−１のＤＬＣ−Ｓｉ膜では０．３μｍであった。そして、Ｓｉ含有量が増加するとともに摩耗深さも大きくなった（Ｓｉ含有量１２ａｔ％：０．６μｍ、Ｓｉ含有量１７ａｔ％：１．２μｍ）。したがって、摩擦係数の低減および耐摩耗性の向上の両方を考慮すれば、Ｓｉ含有量の好適な範囲は５ａｔ％以上９．８ａｔ％以下となる。
【００４５】
（２）ＡＴＦ下での摺動試験
（ａ）ＤＬＣ−Ｓｉ膜の形成
上記（１）（ａ）と同様の方法で、ブロック試験片に表面粗さの異なる２種類のＤＬＣ−Ｓｉ膜を形成した。但し、本摺動試験では、ＳＣＭ４２０製のブロック試験片を使用した。それ以外の成膜方法、成膜条件、組成は、前出表１に示した実施例１と同じとした。これらのブロック試験片を、それぞれ実施例１−４、５とした。表３に、実施例１−４、５のブロック試験片に形成された被膜の厚さ、表面粗さ、密着力を示す。また、表３中、表面粗さの異なるブロック試験片（ＳＣＭ４２０）を比較例３−３、４として示す。
【００４６】
【表３】
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【００４７】
（ｂ）摺動試験および摩擦特性の評価
実施例１−４、５および比較例３−３、４のブロック試験片について、上記（１）（ｂ）と同様のリング・オン・ブロック型摩擦試験機（前出図２参照。）を用いた摺動試験を行った。本摺動試験では、オイルバス５２として、８０℃に加熱保持したＡＴＦ（キャッスルオートフルード タイプＷＳ）を用いた。ＡＴＦの水分量は１５０ｐｐｍであった。摺動試験は以下の手順で行った。まず、無負荷の状態で、リング試験片５１を回転させた。次いで、ブロック試験片５０の上から１２００Ｎの荷重（ヘルツ面圧６２０ＭＰａ）をかけ、ブロック試験片５０とリング試験片５１とを摺動速度０．９ｍ／ｓで２０分間摺動させた後、摩擦係数を測定した。図８に、各ブロック試験片の摩擦係数の測定結果を示す。図８の横軸は、摺動前の各ブロック試験片の摺動面の表面粗さである。
【００４８】
図８に示すように、実施例１−４、５のブロック試験片の摩擦係数は、無被膜の比較例３−３、４のブロック試験片よりも低くなった。特に、ＤＬＣ−Ｓｉ膜の表面粗さがＲzjis０．１μｍの場合（実施例１−４）には、相手材のリング試験片の表面粗さで若干差があるが、摩擦係数は０．０３〜０．０５まで低下した。さらに、相手材のリング試験片にもＤＬＣ−Ｓｉ膜（表面粗さＲzjis０．１μｍ）を形成し、ＤＬＣ−Ｓｉ膜どうしを摺接させると（ＤＬＣ−Ｓｉ／ＤＬＣ−Ｓｉ）、摩擦係数は０．０２よりも低い値となった。このように、ＡＴＦ下では、ＤＬＣ−Ｓｉ膜の表面粗さをＲzjis０．３μｍ以下とすることで、摩擦係数を大幅に低減することができる。また、相手材をＤＬＣ−Ｓｉ膜とすることで、摩擦係数をより低減することができる。
【００４９】
なお、上記（１）（ａ）で作製した比較例１−１のブロック試験片（ＤＬＣ膜、密着力１８Ｎ）を用いて、本摺動試験を行ったところ、摺動試験中にＤＬＣ膜が剥離してしまった。これは、ＤＬＣ膜の密着力が１８Ｎと小さいことによる。本発明者が検討した結果、ヘルツ面圧が６２０ＭＰａ以上と高い摺動環境では、基材と被膜との密着力は２０Ｎ以上必要であることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】プラズマＣＶＤ成膜装置の概略図である。
【図２】リング・オン・ブロック型摩擦試験機の概略図である。
【図３】被膜の表面粗さと摩擦係数との関係を示すグラフである（エンジン油）。
【図４】各ブロック試験片についての、摺動前後の摺動面の表面粗さを示す。
【図５】被膜表面の吸着物の分析結果を示すグラフであり、（ａ）は、Ｃａ−Ｓｕｌｆｏｎａｔｅ由来成分（Ｃ8Ｈ7ＳＯ3-）の吸着量を示し、（ｂ）は、Ｚｎ−ＤＴＰ由来成分（ＰＳＯ2-）の吸着量を示す。
【図６】誘導体化ＸＰＳ分析の結果を示すグラフである。
【図７】被膜中のＳｉ含有量と摩擦係数との関係を示すグラフである。
【図８】被膜の表面粗さと摩擦係数との関係を示すグラフである（ＡＴＦ）。
【図９】摺動時における本発明の低摩擦摺動部材の要部断面を示す模式図である。
【符号の説明】
【００５１】
１：低摩擦摺動部材  １０：基材  １１非晶質硬質炭素膜  １２：シラノール層
１３：吸着水層
３：プラズマＣＶＤ成膜装置  ３０：容器  ３１：基台  ３２：ガス導入管
３３：ガス導出管  ３４：ステンレス製陽極板  ４：基材
５：リング・オン・ブロック型摩擦試験機
５０：ブロック試験片  ５１：リング試験片  ５２：オイルバス  ５００：被膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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